大跨度封闭式料场建筑结构设计及工程实例.doc

大跨度封闭式料场建筑结构设计及工程实例摘要 本文介绍了大跨度料场封闭的意义，及大跨度封闭式料场常采用的建筑设计及结构形式。同时对应不同结构类型，给出北京首钢国际工程技术有限公司所设计的典型工程实例，为大跨度封闭式料场的建筑结构设计提供了参考。关键词 封闭式料场 网架结构 双层三心圆网壳 预应力钢结构一.前言露天堆场造成扬尘污染现已成为原料生产、运输、贮存过程中无组织排放的主要污染源。扬尘污染不但造成大量的物料流失和巨大的经济损失，而且会对环境产生巨大影响。以煤炭为例，装卸吨煤炭可产生煤粉尘3.56.0公斤，每堆存吨煤每年可产生煤粉尘1.5.0公斤。如果煤炭露天存放，受风吹雨淋等自然因素的影响，其损耗量占总煤量的0.5。随着我国经济的不断发展及环保要求的日益严格，国家环保政策明确要求新建各类储料场必须进行全封闭，既有项目限时完成升级改造。大跨度封闭式料场则可以实现原料的全封闭式储存和输送，能够彻底杜绝料场扬尘现象，既能有效减少对周边环境的污染，同时具有单位面积贮量大、物料损失小且易于物料分类堆存的特点，比传统的防风抑尘网更具推广优势。二. 大跨度封闭料场的建筑设计近些年来，随着小高炉，小烧结机的淘汰，带来钢铁厂料场越来越大，同时其厂料场的跨度也越来越大。因此现代钢铁料场具有储量多，空间大的特点。为了满足存储和作业空间，料场封闭结构主要结构形式为大跨的网架、网壳结构。其建筑设计具有以下特点：1.封闭料场的屋面封闭料场结构屋面一般宜选用具有轻质、高强、耐久，及防水等性能的轻型屋面板。目前使用最多的是压型钢板。一般为热镀锌钢板或彩色镀锌钢板，经过辊压冷弯成各种波形，具有轻质、高强、美观、耐用、施工简便、抗震、防火等特点。压型钢板根据波高可分为高波板（波高70mm）和低波板（波高70mm）。根据板型连接方式不同可以分为搭接、咬边和卡扣连接。目前压型钢板的加工和安装已经标准化、工程化、装配化，其中最大允许檩距可根据板型、支撑条件、荷载及芯板厚度，由产品规格中选用。近年来随着膜材成本的降低，膜结构逐步在料场封闭中取代彩钢板成为广泛采用的一种维护结构。膜材具有如下特点：（1）强度高、柔性好：建筑膜材的冲击强度是普通玻璃的250-300倍，是亚克力板材的20-30倍，是钢化玻璃的2倍;（2）使用年限长，国外很多膜结构建筑，已经使用30-40年。目前一般国产膜材厂家承诺15年质保，实际使用年限可达30年，理论使用年限达50年;（3）轻便安全：重量轻，每平米膜材重量约1公斤，节省了檩条并减轻支撑结构的自重;（4）透光性适中：一般膜材的透光率在10-20%，在阳光下膜建筑内光线可以满足正常作业，节约照明成本；同时又不至于暴晒。由于膜结构具有密闭性的特性，对于有毒及挥发性存料的料场，其是唯一的维护结构选择。2.封闭料场采光采光可分为人工采光和自然采光。人工采光一般在料场内设置灯具；自然采光可以采用屋面采光带，即屋面上铺设可以透光的采光板进行采光。一般料场自然环境较差，灰尘大，因此采光带一般容易积灰，进而影响采光效果，因此在选择采光带时应注意采光带的自洁性，如有需要可设置马道，以便于定期清理。对于采用膜结构作为屋面的封闭料场，白天一般基本不用灯具采光。3封闭料场通风建筑通风分为自然通风和机械通风。由于一般的封闭料场内没有大的热源，聊场内操作人员也较少，因此对通风没有太高的要求，适当设置进风口就能满足厂房内通风换气的要求。所以目前料场常用的方法是采用自然通风，一般不封山墙或者半封山墙，还有是将料场两侧通长开敞。4.封闭料场排水一般的建筑排水方式分为无组织排水和有组织排水。独立的封闭料场一般采用无组织排水。如做双连跨网壳，一般采用有组织排水，这时排水通过内天沟汇集后，经过排水管排到室内排水沟，并通过室内排水沟排出室外并进入室外的雨排水系统。三.大跨度封闭料场的结构选型料场封闭的主要结构形式有：（1）网架结构；（2）双层三心圆网壳结构；（3）预应力钢结构。近些年来，空间网格结构在干煤棚的建设中被广泛应用，网架和网壳是常用的空间结构形式。从受力性能上，空间网格结构采用大致相同的网格组成空间交汇的杆件体系，承重结构与支撑体系合二为一，从而有效地改变了桁架结构的受力状态。杆件主要承受轴向力，使得材料特性能得到充分的发挥。采用空间网格结构的干煤棚的平均用钢量为3060kg/m2，比以往采用门式刚架或拱结构的平均用钢量降低了50%以上。此外，空间网架及网壳结构，其空间刚度大，制作安装简便，节点连接采用螺栓球节点，避免大量的现场焊接工作量，其零配件工厂加工，使产品工厂化，确保工程质量，运输和安装方便，可以根据现场实际情况采用散装、分条拼装等安装方法。以上这些优点都是其得以大面推广的原因。此外有些料场由于场地限制，网壳不能落地，导致传导到柱顶的水平推力大，这时一般采用预应力钢结构。预应力钢结构是由一组互相独立的受压杆与一套连续的受拉索构成的空间结构，它的几何形状和刚度与体系内部的预应力大小直接有关。预应力拉索和撑杆的设置，使网壳拱的作用与拉索形成一种自平衡的结构体系，有效减小了网壳结构在柱顶拱脚的水平推力，并降低了结构的矢高。因此对于不落地的屋盖结构，该体系具有明显的优势，可以大大减小柱截面的大小。四大跨度封闭料场结构设计要点网壳结构，悬索结构，张弦结构等。此类超大跨柔性结构大都具有重量轻、刚度低、外观美，但其对地震及风振都敏感。因此，研究和计算地震及风荷载作用下的结构的响应是此类料场设计的关键。 对于超大跨度的料场结构，合理地确定地震输入模式是对结构进行地震反应分析的前提和基础，结构的地震反应必须以地震场地运动特性（幅值、频谱特性和持续时间）为依据。限于目前人类对地震现象的认识水平和强震观测的技术条件，不可能对未来地震的发生和地震波的传播做出准确的判断。因此在对大跨度结构进行地震反应分析时，地震输入存在着较大的误差和不确定性。因此确定符合大跨度结构所在地的地质条件及结构自身特性的地震输入是所要研究的内容之一。此外由于地震发生的不确定性和传播机理的复杂性，对于跨距很大的大型空间结构，由于波列传播波速的有限性、相干性的损失，以及局部场地地质条件的不同等都会导致各支承点的地震激励出现显著差异。因此，对大跨度空间结构进行抗震设计时，必须对地震动的随机性和空间变化性有充分的认识。北京首钢国际工程技术有限公司工业建筑研究所对大跨度结构地震输入方式进行深入研究，按多点激励的输入方式进行结构的地震响应分析，为大跨度结构在料场封闭中的抗震设计提供科学依据。对于超大跨度结构，由于其结构轻柔，结构基本周期长，自振频率低，在风激励作用下易产生较大的震动和变形，具有高度柔性和强非线性。因而风荷载往往是该类结构设计中主要控制荷载。而我国建筑结构荷载规范所提供的风荷载体型系数结构种类较少，因此这些体型复杂的结构需要进行风洞试验才能确定风荷载体型系数。风洞试验费用高，且在结构最终体型确定后才能进行。为解决此问题，北京首钢国际工程技术有限公司工业建筑研究所采用基于计算流体力学（Computational Fluid Dynamics,CFD）的数值风洞计算对于大跨度结构进行数值模拟。通过多个工程的CFD计算结果与风洞试验结果的比较，我所在大跨度料场数值风洞模拟上积累了丰富的设计经验。五.典型工程实例结合自身在钢铁企业原料场工程设计领域的技术优势和经验积累，北京首钢国际工程技术有限公司积累了大跨度料场封闭设计的丰富经验，能够提供网架、三心圆网壳、预应力钢网格及预应力管桁架等大跨度料场封闭技术服务，在满足工艺要求下，设计成品具有能充分利用场地空间、经济指标优越、结构外立面美观、结构安装施工快捷等显著特点。公司先后完成了如迁钢原料系统喷吹煤料场干煤棚、山西长治市瑞达工业园区焦化干煤棚、京唐灰石料场封闭等工程。5.1 双层三心圆网壳结构工程实例一：图1，图2为迁钢原料系统喷吹煤料场干煤棚，采用双层三心圆网壳结构。结构沿两纵边支撑，单侧山墙封闭，结构跨度72m，纵向长度376.5m。网壳高39.8m，网壳厚度3.4m，网格尺寸4.0mX4.0m。网壳采用下弦支撑。干煤棚网壳杆件规格：603.5、75.53.75、88.53.75、1143.75、1404、1596、1598、2198、21912,杆件均为Q234-B钢。 图1.迁钢喷吹煤料场干煤棚施工图 图2.迁钢喷吹煤料场干煤棚建成后图工程实例二：山西长治市瑞达工业园区焦化干煤棚跨度为145m，其布置图如图3所示。该地区抗震设防烈度7度（0.1g），类场地，地震分组第二组，场地设计特征周期为0.55s。结构网壳高47.760m，网壳厚度3.871m，网格尺寸4.325m4.325m。经计算得到干煤棚网壳杆件规格：75.54、88.54、1144、1144.5、15910、18012、21912、21914，杆件均为Q345-B钢。为控制结构跨中挠度，提高整体刚度，网壳采用上下弦支承。为避免温度应力，结构沿纵向每隔99.5m设置一道温度伸缩缝，因此结构纵向计算长度为99.5m。结构整体模型如图4所示： 图3.长治焦化145m跨干煤棚布置图 图4.长治焦化145m跨干煤棚结构模型5.2网架结构工程实例三：图5为首钢京唐钢铁公司石灰料场厂封闭工程剖视图，该工程与2015年12月完工，并投入使用。该地区抗震设防烈度7度（0.15g），类场地，地震分组第一组，场地设计特征周期为0.45s。屋面采用平板网架结构，平面尺寸为200mx200m，共30个钢筋混凝土独立支承柱，其横向柱距为50m，纵向主要柱距为39m。边列处支承柱高度为13.100m，屋脊处支撑柱高度为18.100m，网壳屋脊高度为24.300m。网壳厚度为3.000m。网格尺寸为4.072mx3.831m。经计算得到屋面网壳杆件规格：60x3.50、75.5x3.75、88.5x4.00、114x4.00、140x4.50、159x6.00、159x8.00、180x8.00、219x10.0、219x12.0 、219x14.0，219X14。主材采用Q345-B钢，维护结构采用Q235-B钢。钢筋混凝土独立支承柱为矩形等截面柱，为减小网壳在温度作用下的支座水平反力，外围周圈支承柱设橡胶垫支座。堆场封闭墙皮和屋面均采用单层彩色压型钢板维护，网壳支承柱之间设格构式墙架柱，柱距为8.000m，顶部设弹簧板与网壳上弦节点连接。墙架柱设独立柱间支撑，中间和柱顶各设一道通长水平系杆。图5.首钢京唐钢铁公司石灰料场厂封闭工程剖视图5.3张拉整体结构工程实例四：首钢京唐贮煤场轴线尺寸为639m908m，建筑面积约58.8万平米。结构形式可根据跨度布置的不同采用以下3种方案：（1）M1方案图6贮煤料场M1方案贮煤料场M1方案，为五连跨大跨度张弦式网壳结构。跨度分别为155米、3X131米、90米。钢筋混凝土柱顶标高45m，边跨柱距8m，中跨柱距24m。屋盖结构为五跨独立的大跨度张弦式网壳结构，网壳结构矢高约15m，每跨网壳结构支座处沿跨向布置预应力拉索和撑杆。（2）M2方案图7贮煤料场M2方案贮煤料场M2方案，为三连跨超大跨度张弦式拱管桁架结构。跨度分别为221米、196.5米、221米。钢筋混凝土柱顶标高45m，柱距25m。屋盖结构为三跨独立的超大跨度张弦式拱管桁架结构，拱管桁架结构矢高约25m，每跨拱管桁架结构支座处沿跨向布置预应力拉索和撑杆。（3）M3方案图8贮煤料场M3方案贮煤料场M3方案，为三连跨超大跨度斜拉网架结构。跨度分别为221米、196.5米、221米。钢管混凝土桅杆高度约100m，桅杆间距60m。屋盖结构为三跨独立的超大跨度斜拉三层网架结构。5.4膜材与网壳组合首钢热脱附土壤修复工程污染土料场结构纵向长135m，跨度为60m，结构高18m。本工程位于北京首钢厂区白庙料场内，抗震设防烈度为8度，设计基本地震加速度为0.2g，设计地震分组为第一组，场地类别为类。北京地区50年重现期风压为0.45kN/m2，基本雪压为0.40kN/m2。料场维护结构采用PVC膜材，膜材支撑结构采用双层柱面网壳结构。气膜大棚两端部采用球弧形双层网壳结构。网壳厚度2.6m，网格基本尺寸为3.75m3.5m。经计算得到干煤棚网壳杆件规格：75.54、88.54、1144、1144.5、15910、18012、21912、21914，杆件均为Q235-B钢。网壳采用上弦支承。计算工具选择通用有限元结构分析与设